宇宙

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宇宙中每一圓盤都是一個又一個的「星系」
19世紀法國科普作家C.Flammarion書中的木刻插圖:旅行家以天球中探出頭來,探索宇宙運行的機制。

宇宙是由空間時間物質能量,所構成的統一體。是一切空間時間的總合。一般理解的宇宙指人類所存在的一個時空連續系統,包括其間的所有物質能量和事件。對於這一體系的整體解釋構成了宇宙論

中國古代就有「上下四方曰宇,往古來今曰宙」的說法,宇宙一詞也出自於「旁日月,挾宇宙」。[1] [2]

近數世紀以來,科學家根據現代物理學天文學,建立了關於宇宙的現代科學理論,稱為物理宇宙學

根據相對論信息的傳播速度有限,因此在某些情況下,例如在發生宇宙膨脹的情況下,距離我們非常遙遠的區域中我們將只能收到一小部分區域的信息,其他部分的信息將永遠無法傳播到我們的區域。可以被我們觀測到的時空部分稱為「可觀測宇宙」、「可見宇宙」或「我們的宇宙」。應該強調的是,這是由於時空本身的結構造成的,與我們所用的觀測設備沒有關係。

宇宙大約是由4.9%的普通物質,26.8%的暗物質和68.3%的暗能量構成(普郎克新數據2013年底)[3]

大爆炸理論中宇宙的歷史[編輯]

現代物理宇宙學一般認為宇宙起源於大爆炸,即約138億年(普郎克新數據2013年底)(舊數據為137.3億(±1%))年前由一個密度極大,溫度極高的狀態膨脹而來。對於大爆炸以前的宇宙,目前只有一些猜測性的理論。而最新的研究則認為宇宙的年齡為156億年[4],但是這個說法還未得到公認[5]。對於大爆炸以後的宇宙,則可以用較成熟的理論加以描述。一種典型的理論是:

目前宇宙還在繼續膨脹之中,這在觀測上為哈勃定律所概括。

宇宙大小[編輯]

公元100年左右的東漢時代,當時科學家張衡最早提出「過此而往者,未知或知也。未知或知者,宇宙之謂也」和「宇之表無極,宙之端無窮」的觀點[6]。明確提出由空間和時間構成的宇宙大小是無限的觀念。目前關於宇宙是否無限的問題還有爭議。如果整個宇宙的空間部分是有限的,那麼可以用一個距離來表示。對於均勻各向同性的宇宙來說,這就是三維空間的曲率半徑。但是,即使宇宙整體是無限的,宇宙的可觀測部分仍是有限的:由於相對論限定光速為宇宙中信息傳播的最高速度,如果一個光子從大爆炸開始傳播,到今天傳播的固有距離為930億光年,由於宇宙在膨脹,相應的共動距離約為其3倍,具體數值與宇宙學參數有關,這一距離稱為今天宇宙的粒子視界。

另一個在物理學數量級估計中常用來表示宇宙大小的距離稱為哈勃距離,是哈勃常數的倒數乘以光速,其數值約為1.29×1026公尺,也約為138億光年。科普和科技書籍中所指宇宙的大小常指這個數值。哈勃距離可理解為四維時空曲率半徑

宇宙的年齡,成分[編輯]

宇宙被認為主要由暗能量冷暗物質構成,人們對它們所知甚少。僅有少於5%是普通物質。

宇宙目前的密度非常小,大約僅有9.9×10−30克每立方厘米。其中有73%為暗能量,23%為冷暗物質,剩下的4%才是普通物質。宇宙中的原子密度的量級約為每4立方米一個氫原子。[7]人們對暗能量冷暗物質的屬性還所知甚少。暗物質吸引普通物質,因此減慢(空間的度規膨脹)宇宙的膨脹;相反的,暗能量加速宇宙的膨脹

當前估計宇宙的年齡為137.98±0.37億年。[8]

宇宙的形狀[編輯]

宇宙的形狀是宇宙學中一個未解決的問題。用數學的語言說就是:「哪一個三維形狀才能最好地代表宇宙的空間結構?」

首先,宇宙到底是不是「平坦空間」,即大範圍內遵守歐氏幾何的空間還未清楚。目前,大部分宇宙學家認為已知宇宙除了大質量天體造成的局部時空褶皺,是基本平坦的-就像面是基本平坦但局部有水波一樣。最近威爾金森微波各向異性探測器觀測宇宙微波背景輻射的結果也肯定了這一認識。

其次,尚未清楚宇宙是否是多重連接。根據大爆炸理論,宇宙是沒有空間邊界的,然而其空間大小可能是有限的。我們可以通過二維的概念類推:一個球面沒有邊界,但是它的面積是有限的(4πR2)。它是一個在三維空間有固定曲率的二維表面。數學家黎曼發現四維空間中一個與此類似的三維球形「表面」,其總體積為有限(2π2R3)但三個方向都朝第四個維度彎曲。他還發現「橢圓空間」和「圓柱形空間」,後者的圓柱形兩頭互相連接但沒有彎曲圓柱本身-這一現象在普通的三維空間是不可想象的。類似的數學例子還有很多。

如果宇宙真是有限但無邊界的話,人沿着宇宙中一條任意方向的「直線」走下去,最終會回到出發點,其路線長度可認為是宇宙的「周長」(這個周長是現在人類對宇宙的認識所無法想象的,因為它一定要比我們所見的宇宙部分大得多。)。

哈勃望遠鏡拍攝的高清晰度深場照片,顯示姿態年齡各異的河外星系。照片上最小,顏色最紅的屬於人類看到的最古老的星系,在宇宙年齡約8億年的時候就已經存在。

宇宙有可能具有多重連接的拓撲學結構。如果這些結構足夠小的話,人類,就如同在掛了多面鏡子的房間里,可能在不同方向看到同一天體的多個影像。而實際的天體數量就會比觀測所見少。從這個角度講,星體和星系應該稱作「所觀的影像」才合適。這個可能,至今沒有被徹底否定,但最近的宇宙微波背景輻射研究結果認為是不可能的。

宇宙的命運[編輯]

根據天文觀測和宇宙學理論,可以對可觀測宇宙未來的演化作出預言。均勻各向同性的宇宙的膨脹滿足弗里德曼方程

多年來,人們認為,根據這一方程,物質的引力會導致宇宙的膨脹減速。宇宙的最終命運決定於物質的多少:如果物質密度超過臨界密度,宇宙的膨脹最後會停止,並逆轉為收縮,最終形成與大爆炸相對的一個「大坍縮」(big crunch);如果物質密度等於或低於臨界密度,則宇宙會一直膨脹下去。另外,宇宙的幾何形狀也與密度有關:如果密度大於臨界密度,宇宙的幾何應該是封閉的;如果密度等於臨界密度,宇宙的幾何是平直的;如果宇宙的密度小於臨界密度,宇宙的幾何是開放的。並且,宇宙的膨脹總是減速的。

然而,根據近年來對超新星宇宙微波背景輻射等天文觀測,雖然物質的密度小於臨界密度,宇宙的幾何卻是平直的,也即宇宙總密度應該等於臨界密度。並且,膨脹正在加速。這些現象說明宇宙中存在着暗能量。不同於普通所說的「物質」,暗能量產生的重力不是引力而是斥力。在存在暗能量的情況下,宇宙的命運取決於暗能量的密度和性質,宇宙的最終命運可能是無限膨脹,漸緩膨脹趨於穩定,或者是與大爆炸相對的一個「大坍縮」,或者也可能膨脹不斷加速,成為「大寒冷」。目前,由於對暗能量的性質缺乏了解,還難以對宇宙的命運做出肯定的預言。

多重宇宙[編輯]

宇宙成分的推估中,有證據顯示一種暗物質佔極大部分,但是至今依然是理論和謎團。

對於多重宇宙有不同的理解。一種理解是,位於可觀測宇宙之外的時空,構成其它的宇宙。例如,在宇宙暴脹中形成的其它大量時空,或者我們宇宙中黑洞奇點內我們所無法理解的時空。這些不同的時空部分總體構成了多重宇宙。另一種理解則強調這些不同的宇宙不僅僅是時空區的獨立,而且其中的表現的物理規律也可能有所不同,例如其中的粒子也許具有不同的電荷或質量,其物理常數也各不相同。

有時人們也把平行宇宙與多重宇宙當作同義詞。不過,平行宇宙還有一種理解,即量子力學中的多世界解釋。這種解釋認為,在量子力學中,存在多個平行的世界,在每個世界中,每次量子力學測量的結果各自不同,因此不同的歷史發生在不同的平行世界中。

神話和宗教的宇宙觀[編輯]

起初古人沒有普遍意識到有其他世界的可能性,甚至認為「山後面沒有人」,更不用說到宇宙了。但在地球上探險和征服的活動頻繁下,又見到新奇的世界甚至星座的變化,從而想像宇宙整體,雖然這些宇宙觀主要是純思辨的產物,但客觀上對於後來探險和觀測活動是起了指導的作用。

佛教宇宙觀[編輯]

佛教中的世界一詞,相當於英語的COSMO,既可指世界也可以指宇宙,但都是一種有限和被分割的觀念,而且大小是任意的,即可以從個人可以到達或看見和想像的層次區分成。而其雖然包括了星空和天象,但常被說成是有邊界的蒼穹而不是無邊的虛無的宇宙。

「世」為時間(註:三十年為一世)意,「界」為空間意,涵蓋了時間空間不可分隔的道理,這也正符合了愛因斯坦相對論。中國古代形容大千世界多用「天下」一詞,而並無「世界」。蓋因世界乃佛教名詞,如今被廣為用之,但應當了解這個名詞的來源。據楞嚴經卷四載:世,即遷流之義;界,指方位。即於時間上有過去、現在、未來三世之遷流,空間上有東南西北、上下十方等定位場所之意。

上下四方謂之宇,古往今來謂之宙,結合上一段,可以理解宇宙觀、世界觀即為「時空觀」

佛經中,大的空間叫佛剎、虛空,小的叫微塵,統稱為「三千大千世界」[9]。「佛教宇宙觀」主張宇宙係有無數個世界。集一千個小世界稱為「小千世界」,集一千個小千世界稱為「中千世界」,集一千個中千世界稱為「大千世界」;合小千、中千、大千總稱為三千大千世界。[10]華嚴經》稱:「知一世界即是無量無邊世界,知無量無邊世界即是一世界,知無量無邊世界入一世界,知一世界入無量無邊世界。」[11]

色界諸天分為四禪,即初禪、二禪、三禪、四禪,總計十八天。初禪天三天,有梵眾天梵輔天大梵天;第二禪天三天,有少光天、無量光天、極光淨天;第三禪天三天,有少淨天、無量淨天、遍淨天;第四禪天為九天,有無雲天、福生天、廣果天、無想天﹑無煩天、無熱天、善現天、善見天、色究竟天。[12]無色界,還有空無邊處天、識無邊處天、無所有處天、非想非非想處天等四無色天。

中國人關於宇宙的上古神話[編輯]

藝文類聚》記載「天地渾沌如雞子,盤古生其中。萬八千歲,天地開闢,陽清為天,陰濁為地」[13]

這是盤古開天地的神話,也是關於宇宙起源的最初描述:宇宙最初是混沌的,外形像雞蛋,盤古生於其中。據某個國外研究小組的計算機模擬實驗結果顯示,宇宙大爆炸之初就是「橢圓形」的。而「盤古」可以理解為一種能量,像某些地區的古人會把火山爆發看作是某個神一樣。很多很多年後(「萬八千歲」,有時被生硬理解為18000年,但中國文化的「萬千」多指「非常大、非常長、非常多」,無法計算),盤古開天闢地,陽清為天,陰濁為地。「陰濁」可以理解為形成星球的物質,「陽清」則是那些游離於星球之外的物質。按照貼近大爆炸理論理解中華古代宇宙開創理論:不知道原因,盤古(即奇點產生的爆炸能量)誕生,盤古撐開了宇宙,開天闢地,陽清為天(宇宙空間、真空、暗物質等),陰濁為地(星體等)。盤古化為日月山川河流,即大爆炸由純能量,部分轉化為質量。

郭店楚簡》記載:「大一生水。水反輔大一,是以成天。天反輔大一,是以成地。天地[復相輔]也,是以成神明。神明復[相]輔也,是以成陰陽。陰陽復相輔也,是以成四時。」[14]

其他神話[編輯]

印度神話描述宇宙之始,有一梵卵化為一人,即普魯沙,普魯沙有著數千個頭、眼睛和腳,後來普魯沙一分為三,就是三大神,大梵天(Brahma),大自在天(Shiva),以及妙毗天(Vishnu)。其中大梵天為宇宙之主,妙毗天是宇宙與生命的守護者。

古埃及神話中認為初始宇宙是來自阿多姆神(Atum),阿多姆一分為二,變成風神休(Shu)和雨神泰芙努特(Tefnut),接著Shu和Tefnut又生一女一子,也就是天空女神努特(Nut)和大地之神蓋布(Geb)。

注釋[編輯]

  1. ^ 文子. 文子.卷八. 中國. 
  2. ^ 莊子. 莊子.齊物論. 中國. 
  3. ^ Varun, Sahni. Dark Matter and Dark Energy (PDF). Lecture Notes in Physics. 2006, (653): 141–180. 
  4. ^ Bonanos, A. Z.; Stanek, K. Z.; Kudritzki, R. P.; Macri, L.; Sasselov, D. D.; Kaluzny, J.; Bersier, D.; Bresolin, F.; Matheson, T.; Mochejska, B. J.; Przybilla, N.; Szentgyorgyi, A. H.; Tonry, J.; Torres, G. The First DIRECT Distance to a Detached Eclipsing Binary in M33. Astrophysics and Space Science. 2006,. Online First. 
  5. ^ 2006年世界天文學和天體物理學重要進展. 科技導報. 2007, 25 (3): 13–17. 
  6. ^ 張衡:《靈憲》
  7. ^ Hinshaw, Gary. What is the Universe Made Of?. NASA WMAP. February 10, 2006 [2007-01-04]. 
  8. ^ Planck collaboration. Planck 2013 results. XVI. Cosmological parameters. Submitted to Astronomy & Astrophysics. 2013. arXiv:1303.5076. 
  9. ^ 「三千大千世界」語出《大智度論.卷七.釋初品中放光》。《雜阿含經》卷十六、卷十九;《增一阿含經》卷九;《大樓炭經》卷一;《瑜伽師地論》卷二;《起世經》卷一;《起世因本經》卷一;《大毗婆沙論》卷一三四等佛經都談及「三千大千世界」。
  10. ^ 《俱舍論》卷十一:「四大洲日月,蘇迷盧欲天,梵世各一千,名一小千界,此小千千倍,說名一中千,此千倍大千,皆同一成壞。」
  11. ^ 華嚴經》卷九〈初發心菩薩功德品〉
  12. ^ 《仁王護國般若經疏》卷2〈1序品〉:「言九梵者:謂第四禪九天:一、無雲,二、福生,三、廣果,四、無想,五、無煩,六、無熱,七、善現,八、善見,九、色究竟也。」
  13. ^ 藝文類聚》卷一《三五曆紀》
  14. ^ 郭店楚簡》04篇《太一生水》

相關條目[編輯]

參考文獻[編輯]

  • 史蒂芬·霍金《胡桃裡的宇宙》,(台北:大塊文化出版,2001年5月)。
  • 史蒂芬·霍金著,吳忠超、許明賢合譯:〈基本粒子和自然的粒〉,《時間簡史-從大爆炸到黑洞》(藝文印書館,2002年增訂版)。
  • 呂應鐘:《大世紀-佛經宇宙人紀事》(台北:慧眾出版,1992年12月)。
  • 陳家成、林杜娟:〈科學和佛教的宇宙論及其與十二因緣的關係〉(佛教與科學,2001年)。
  • 楊中傑:〈從佛學角度觀西方三大物理學之理論層次〉(佛學與科學,2001年)。
  • 王萌:〈佛教與科學的當代對話-以佛教性空論與量子理論為線索〉(四川:自然辯証法通訊,2004年第2期)。